Diseño y Modelización de una Turbina Hidrocinética de Eje Vertical para Bajas Velocidades

Resumen

Impulsar la producción y la utilización directa de fuentes de energía renovables se considera una solución clave en el proceso de transición energética para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mitigar los efectos del cambio climático. Existen varios tipos de fuentes de energía renovables, cada una con sus características y beneficios únicos. La energía hidroeléctrica se considera el mayor productor de electricidad renovable en todo el mundo. El sector hidroeléctrico representa alrededor del 16 % de la producción mundial de electricidad, más que todas las demás energías renovables juntas. El proceso de aprovechamiento de la energía hidrocinética consiste en capturar energía de diversas fuentes, como las mareas, las corrientes oceánicas o el caudal de los ríos. Las turbinas hidrocinéticas de eje vertical (VAHT) se consideran una opción económica y fiable para aprovechar las corrientes fluviales, concretamente para la generación distribuida de electricidad. La sencillez del diseño y la insensibilidad a la dirección del flujo hacen de las VAHT una opción técnica y económica viable. Sin embargo, los VAHT de álabes rectos suelen estar diseñados para velocidades de agua relativamente altas. Esta tesis aborda el diseño y caracterización de una pequeña turbina hidrocinética de eje vertical para bajas velocidades de flujo. El perfil del álabe, la solidez y la relación de aspecto del modelo de turbina se han seleccionado buscando un funcionamiento autoarrancable y eficiente. El modelo de turbina se ha fabricado utilizando la tecnología de fabricación aditiva con precisión a una fracción del coste ofrecido por las tecnologías tradicionales de mecanizado. Las pruebas experimentales se han realizado en un equipo de canal abierto, con velocidades de entrada que oscilan entre 0,33 m/s y 0,69 m/s. La caracterización experimental permite evaluar el efecto de diferentes parámetros, incluido el bloqueo de la turbina, sobre el rendimiento global de la misma. Se ha realizado un estudio numérico complementario al experimental anterior. Se esboza una simulación multifásica tridimensional intensiva del modelo de turbina bajo variaciones de superficie libre para investigar las interacciones entre el rotor de la turbina y la sección del canal, incluida la superficie libre. El método de volumen de fluido (VOF) se aplica a la simulación de la interfaz aire/agua. Además, también se ha realizado una simulación tridimensional monofásica, sin considerar la superficie libre, para compararla con los resultados multifásicos y examinar el efecto de la superficie libre en el rendimiento de la turbina. Continuando con la evaluación del modelo de turbina, se ha investigado un método novedoso y rentable para probar los modelos de turbina hidrocinética en condiciones de campo abierto (sin efectos de bloqueo). Se han realizado pruebas experimentales en un túnel de viento subsónico de circuito abierto en condiciones de campo abierto. Las ejecuciones experimentales se han llevado a cabo utilizando el mismo valor de número de Reynolds que en los experimentos previos con canales de agua, para permitir una comparación entre los resultados obtenidos en ambas pruebas. Para comprobar la validez del enfoque propuesto, se aplica un método teórico de corrección de los efectos de bloqueo -basado en la teoría tradicional del disco actuador y adaptado a los casos de flujo en canal abierto- a los ensayos en canal de agua y se compara con los experimentos en túnel de viento. Por último, la tesis se ha ampliado para incluir la mejora del rendimiento de las turbinas hidrocinéticas, centrándose en la mejora de la eficiencia global, mediante la variación de la geometría del canal. Para ello se ha utilizado un obstáculo en el lecho del canal. Mediante metodologías experimentales y numéricas multifásicas, se ha investigado la producción de potencia y el comportamiento del flujo para evaluar la eficacia de este enfoque.